（电力电子与电力传动专业论文）基于fpga的嵌入式mcu设计与应用研究.pdf

江苏大擘硕士学住论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o na n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h ep l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) h a sb e e na p p l i e dt of a rw i d e rf i e l d s s o p c ( s y s t e mo na p r o g r a m m a b l ec h i p ) h a sb e c o m ea n e wm e t h o do fs o cd e s i g n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e d e s i g nm e t h o d sa n dt h ed e v e l o p m e n tt e c h n i q u ef o rp l d a d d i t i o n a l l y , h d l ( h a r d w a r e d e s c r i b el a n g u a g e ) ，f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r t y ) c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) a r ea l s oo u t l i n e d f u r t h e r m o r ei tg i v e st h ee x p l o r a t i o na n d r e s e a r c ha b o u tt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no far i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) m c ub a s eo nf p g a i nt h i sp a p e r , ag - b i tr i s cm c up z o r ei sd e s i g n e do nt h eb a s i so fm i r c o c h i p p i c l 6 c 5 7 xc o r es l r u c t u r e t h em c u d e s i g nr e f e r st ot h et o pd o w nd e s i g nm e t h o da n d t h em o d u l a r i z a t i o ni d e a sa n di sd i v i d e di n t ot h r e es u bm o d u l e s ：c o n t r 0 1 a l ua n d r e g i s t e r s t h e ni tg i v e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nd e t a i l sf o re a c hm o d u l e t h i s m c ub a s e do nf p g ac a nr e a l i z et h ef u n c t i o n so f2 9i n s t r u a i o n si n3 3i n s t r u c t i o n s e x c e p to p t i o n c l r w d t , s l e e pa n dt r i so fp i c l6 c 5 x , b u tw i l lb em o 舱f l e x i b l e t h a ni tb e c a u s et h i sm c uc a nb eu s e dw i 也o t h e ri pt o g e t h e ro na c h i p t h ed e s i g nh a sa c h i e v e de x p e c t e dp e r f o r m a n c ei na l la s p e c t st h r o u g ht h es i m u l m i o n o fs o f t w a r ea n dv e r i f i c a t i o no fh a r d w a r e ，a n dt h e o p e r a t i n g 疗e q u e n c y o nt h e e p l k 3 0 t c l 4 4 - 3d e v i c e so fa l t e r ac o m p a n ya c e x1 ks e r i e sr e a c h e s2 1 8 8 m h z a l l t h e s es o l u t i o n sa n di d e a lc a nb eu s e df o rr e f e r e n c ei no t h e rd e s i g n so f r i s cm c ui pc o r e s oi ti n d i c a t e st h em c uc a nb ea p p l i e di ng e n e r a lc o n t r o lf i e l d s a d d i t i o n a l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h r e e - p h a s es p w mc o n t r o lm o d u l e t h i sm o d u l e h a st h ec h a r a c t e r i s t i ct h a td e a dt i m ea n dc a r r i e rr a t ea r ea d j u s t a b l e ，a n di tc a nb ea p p l i e d a i o 北l y , e v e nb er e g a r d e da s t h es u b m o d u l eo f p e r i p h e r a lo f m c u k e y w o r d s ：m i c r oc o n t r o l l e ru n i t , c p u ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y , h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 学位论文作者繇勃影备 导师躲尖。嚎 签字日期：口妒年6 月2 口日签字日期：p 。e 年6 月扩日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 孽黏学 电话： 邮编： 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：f 赖取药 日期：盈神垆年 6 月 声口 日 江苏失擘硕士擘位论文 第一章绪论 1 1 本文的研究背景及意义 近年来，电子技术和信息技术的飞速发展日新月异，电子系统设计已变得越来 越复杂、越来越智能化，并向嵌入式系统e s ( e m b e d d e ds y s t e m ) 方向发展。嵌入 式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理器、 存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括实时操作系统软件r t o s 和各种应用程序编程。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬 件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算 机系统0 - 2 j 。嵌入式系统几乎应用于生活中的所有电器设备，如p d a 、移动电话、 移动计算设备、数字相机、数字电视、电视机顶盒、多媒体、汽车电子、家庭自动 化系统、安全系统、自动售货机、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等【3 1 。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下4 个特点： ( 1 ) 具备很强的对实时多任务支持能力。并能快速响应中断，最大限度地减少内部 代码和实时内核的执行时间。( 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能，能够避免在软 件模块之间出现错误的交叉作用，同时易于软件诊断。( 3 ) 具有可扩展的处理器结 构，能扩展成满足要求的高性能嵌入式微处理器。( 4 ) 具有低功耗特性，特别是对 于靠电池供电的便携式的移动计算和通信设备中的嵌入式系统【4 1 。 在嵌入式系统设计需求牵引积微电子技术推动的双重作用下，嵌入式微处理器 朝片上系统方向发展。将整个电子系统集成在同一芯片上，称为片上系统s o c ( s y s t e m 0 nac h i p ) ，或称为系统级芯片。s o c 技术研究的内容包括：开发工具、i p 及其复用 技术、可编程系统芯片、信息产品核心芯片开发及应用、s o c 设计技术与方法、s o c 制造技术与工艺。系统芯片s o c 一般包括三大基本要素：微处理器、存储器和接口 逻辑。集成了这三类电路也就相当于在单个芯片上实现了大多数系统的所有功能陋- 6 1 。 嵌入式微处理器通常采用精减指令集计算机r i s c ( r e d u c e di n s t m c t i o ns e tc o m p u t c r ) ， 而不采用复杂指令集计算机c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o i n p u t e om 。 从使用角度上分，s o c 主要有二种类型：专用集成电路( a p p l i c a t i o ns p e c i a li c ) 和可编程s o c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) ，即s o p c i 8 1 。对于a s i c 形式的嵌入式 s o c ，目前比较常用的有a r m 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、s c 4 0 0 、a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 系 江苏大学硕士学位论文 列等。a s i c 形式的s o c 具有设计复杂、流片费用昂贵、设计周期长、不够灵活等缺 点。而s o p c 是以可编程逻辑器件p l d ( p m g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 为硬件基础的。 可编程逻辑器件具有可重复使用、低成本、高性能、高密度、开发周期短等优点， 不要流片费用，不要建立任何生产线等优点。此外，基于可编程逻辑器件实现的s o p c 具可裁减、易扩展、易修改的优点【9 o l 。 s o p c 的优点使得它成为近年来s o c 发展的重点，也是近年来发展最迅速的。 在可编程逻辑器件p l d 的飞速发展与e d a 技术的大力推广下，s o p c 的设计理念已 经深入人心，并为嵌入式系统设计开辟了新的发展方向。 s o p c 发展的三个关键技术是：p l d 设计与制造技术、e d a 技术和r i s cm p u 设计技术。在电子设计技术领域，p l d 的运用已有了很好的普及。目前广泛使用的 p l d 器件即为f p g a c p l d 。这些器件为数字系统的设计带来极大的灵活性。由于这 类器件可以通过软件编程而对其硬件的结构和工作方式进行重构，使得硬件的设计 可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、 设计过程、乃至设计观念。纵观可编程逻辑器件的发展史，它在结构原理、集成规 模、下载方式、逻辑设计手段等方面的每一次进步都为现代电子设计技术的革命与 发展提供了不可或缺的强大动力 1 1 - 1 2 1 。 s o p c 必须以e d a ( e l e e t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 技术为支撑。e d a 是一种实现 电子系统或电子产品自动化设计的技术，它以计算机为工具，在e d a 软件平台上， 根据硬件描述语言完成的设计文件，自动完成逻辑编译、化简、分析、综合及优化、 布局布线，仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。 设计者的工作仅限于利用软件的方式来完成对系统硬件功能的描述，在e d a 工具的 帮助下和运用相应的f p g a c p l d 器件，就可以得到最后的设计电路。尽管目标系 统是硬件，但整个设计和修改过程如同完成软件设计一样方便和有效i t 3 - t 4 l 。 随着大规模集成电路技术和计算机技术的不断发展，e d a 技术正以惊人的速度 应用于通讯、国防、航天、医学、工业自动化、计算机应用、仪器仪表等领域的电 子系统设计中。随着可编程逻辑器件集成规模不断扩大、自身功能的不断完善和计 算机辅助设计技术的提高，在现代电子系统设计领域中的e d a 逐渐取代了传统的数 字电路设计模式。不言而喻，e d a 技术将迅速成为电子设计领域中的及其重要的组 成部分陋有电子设计专家认为，未来将是e d a 的时代。 r i s cm p u 设计技术也得到了快速的发展。国外著名i c 供应商也提供了多种 2 江苏大学硕士擘住论文 r i s cm p u 。如a l t e r a 、x i l i n x 、l a t t i c e 、a t m e l 、c y p r e s s 等公司都提供了适用于各自 p l d 器件的r j s cm p u 。如a l t e r a 公司提供了基于f p g a 的a r m 、m i p s 、1 6 位3 2 位n i o sm p u 等i p i l l - 1 8 1 。x i l i n x 公司提供了基于f p g a 的i b m 公司的p o w e r p cm p u i p 和3 2 位的m i c r o b l a z em p u 等i f t 9 1 。a t m e l 公司提供了应用于本公司的现场可编 程系统级集成电路f f s l i c ( f i e l dp r o g r a m m a b l es y s t e ml e v e li c ) 的8 位a v rm c u 等i p 2 0 。t r i s c e n d 公司提供了应用于本公司可配置片上系统c s o c ( c o n f i g u r a b l e s y s t e mo i lac h i p ) 器件e 5 的集8 0 5 1t u r b o 核、r a m 及高速总线等i p t 2 。 综上所述，电子系统设计朝嵌入式系统方向发展，促使i c 设计朝s o c 方向发 展。s o c 的发展方向有二条：a s i c 和s o p c 。s o p c 的核心是嵌入式m p u ，嵌入式 m p u 一般采用r i s cm p u ，而不用c i s cm p u s o p c 发展的三个主要方向是：p l d 器件、e d a 和r i s cm p u 。p l d 器件的飞速发展为s o p c 提供了硬件载体。e d a 技 术则为s o p c 提供了软件基础。应用于s o p c 的m p u ( 如a l t e r a 的n i o s ) 也取得了很 大的进步与成功。但开发出新的有广泛用户基础的m c u 的i p 仍然非常重要。s o p c 以其众多的优点正以日新月异的速度在发展 1 2 国内外研究概况 在信息技术高度发展的今天，嵌入式m p u 作为信息处理的核心部件，其智能化 程度会越来越高，处理信息的能力会越来强。但长久以来，国内在这方面的设计和 生产能力一直很薄弱。 目前，在国内由于s o p c 正处于一个快速发展的阶段，还没有得到广泛的普及， 有关s o p c 设计的研究还处于比较初级的水平，复杂的高端的m p u 设计与应用研究 还不多。其中一个重要的因素是：可编程逻辑器件在国内还没有生产，目前用到的 器件全部都是进口的。另外可编程逻辑器件的快速发展和大力推广还是近几年的事， 还处于发展阶段，价格还比较高。 在国内，基于f p g a c p l d 的嵌入式r i s cm p u 设计越来越受到重视。国内已 设计出如“龙芯”、“汉芯”等高端i c ，在“龙芯，“汉芯”的设计过程中也曾采用 了基于f p g a c p l d 的验证圈。当然，“龙芯”、“汉芯”终归最后是用a s i c 的形式 实现了，而f p g a 只是对其进行了验证，而不是最终实现的手段，因此“龙芯”、“汉 芯”的l p 并不适合用f p g a 来实现。目前，基于f p g a 的r i s c m c u 设计及实现技 术更被许多高校作为重点研究方向，也取得了很多的研究成果。 江苏大学项士学位论文 在国外，对于f p g a ，c p l d 的研究发展速度很快，技术日趋于成熟。对于嵌入 式m p u 的研究设计更是领先于国内。目前已经有多家i c 供应商能够提供s o p c 的 高档f p g a 。其中最著名的有二家公司：a l t e r a 、x i l i n x 。a l t e m 公司的s o p cf p g a 器件有a p e x 、a p e xi i 、m e r c u r y 、e x c a l i b u r 、c y c l o n e s t r a t i x 系列等。x i l i n x 公司于 的s o p cf p g a 有s p a r t a n 、s p a r t a ni i 、v i r t c x 、v i r t e xi i 、x c 4 0 0 0 和x c 9 5 0 0 系列等。 并且a l t c r a 和x i l i n x 公司都提供了应用于s o p cf p g a 的m p u m c u 、u a r t 等各种 i p 2 3 - 2 4 | a l t c r a 公司的f p g a 主要是面向需求量大的数字信号处理的高端宽带和电信应 用a l t e r a 已经在其可编程s o c 中集成a r m 和m i p s 的2 0 0 m 奶2 位处理器。这些 m p u 即可从a l t e r a 可编程s o c 芯片a p e xe p 2 0 k 系列f p o a 就可以获得支持瞄1 。 n i o s 微处理器核是由a l t e r a 自行开发的。n i o s 用一套完整的工具很容易在a l t e r a a p e xe p 2 0 k 系列f p g a 上实现。n i o s 可配置r i s cm p u 软核，成为具有1 6 位指令 集的1 6 位或3 2 位r i s c 微处理器【2 6 】。可以对n i o s 嵌入式m p u 进行优化，加外设 功能以适合用户特殊设计需要。实际上，用户能容易地改变系统设计以及在现场升 级。从n i o s 中可得到的外设计有定时，计数器、p i o 、s p i 、p w m 、1 0 1 0 0 以太网m a c 和s d r a m 控制器。n i o sm p u 仅占2 0 万门e p 2 0 k 2 0 0 e 的1 2 。几个n i o sm p u 可 装在a l t e r ap l d 器件上构成并行处理系统，最大地满足用户应用需求i 明。此外，加 f i r 滤波器和f f t 算法能开发一个完善的d s p 处理系统。a l t e r a 通过与a r ml i m i t e d 和m i p st e c h n o l o g i e s 公司合作，获得目前最先进的处理器技术。a r m 、m i p s 处理 器可集成到a l t e r a 可编程s o c 器件上来。这样就可利用a r m 和m i p s 处理器来实现 n i o s 处理器的功能。同时，它们还与所有第三方开发和调试工具相兼容，并且支持 基于a r m 和m i p s 的应用开发1 2 8 ) 此外，推出s o c 芯片的公司还有：l a t t i c e 、t r i s c e n d 、i d t 、g e n e s i s 、c y g n a l 、 c y p r e s s 等公司这些可编程s o c 芯片的技术基本代表了当今可编程s o c 技术水平 为快速缩小与国外的差距，我国科技部已于2 0 0 1 年启动了“十五”计划，其 中包含了集成电路“十五”专项规划思路一超大规模集成电路s o c 专项工作。集成 电路“十五”专项规划思路的内容包括关键电子信息产口核心芯片开发( 即关键电 子产品核心芯片及印核需求分析及技术预测，国家级m 库的管理和运行机制研究) 、 超大规模集成电路口核开发( 微处理器类i p 、接口电路类疋、可编程逻辑电路类i p 、 智能电源类i p ) 、s o c 设计和制造关键技术( 即超大规模集成电路i p 核、接口及相 4 江苏大擘硕士学位论文 关设计技术、软颀件协同设计技术、超深亚微米设计技术、面向s o c 的工艺模块和 兼容工艺技术研究、s o c 相关的新结构电路、s o c 中的可靠性技术) 、超大规模集成 电路设计产业化环境建设等 2 9 3 0 1 。集成电路“十五”专项规划必将促进我国集成电 路事业的快速发展。 总之，嵌入式系统正处于一个飞速发展和激烈竞争的时代，s o c 的发展方向已 朝s o p c 的方向发展，开发p l d 设计技术的研究，探讨基于f p g a 的m c u 的设计 及应用还有重大的现实意义。 1 3 本文的研究内容及设计目标 本文选择了基于f p g a 的嵌入式m c u 设计这研究课题，并且不仅仅是通过对 嵌入式m c u 的设计与实现来研究和探讨f p g a c p l d 的一般设计方法，更重要的是 想通过该研究来探索嵌入式m c u 的设计相关技术，建立嵌入式m c u 的i p 核，有 较大的工程意义，也为进一步的s o p c 研究提供确实可用的口。 本文主要对8 位m c u 核的f p g a 设计及实现方法展开探讨和研究，并对设计中 采用的具体思想和出现的具体问题进行了阐述和分析。本设计要达到的目标是：设 计出能稳定工作的m c u 核，并且在功能上作了仿真和验证。最后在f p g a 上实现。 它完全与m i r c o c h i p 公司的p i c l 6 c 5 x 单片机兼容，能实现除看门狗电路与休眠之外 的其它全部功能。但应用于基于f p g a 的系统设计时，将比a s i c 的p i c l 6 c 5 7 x 更 为灵活，能与其它外设i p 方便地结合在一起。 此外，针对f p g a 在电力电子中的应用特点，还设计了在电力电子中应用特别 广泛的三相s p w m 控制模块。该s p w m 模块可以单独应用，也可以作为本设计m c u 的外设模块应用。 1 4 本文的结构 第1 章简要介绍课题研究的背景，内容、目的和意义以及国内外相关工作的研 究现状等。 第2 章简要介绍可编程逻辑器件设计相关知识，其内容包括可编程逻辑器件、 硬件描述语言和e d a 工具软件三个方面。 第3 章简要介绍c i s c 与r i s c 的特点、嵌入式m c u 的指令系统、内部总线架 构及本设计m c u 的内部总体结构。 江苏走擘顶士学位论文 第4 章简要介绍嵌入式m c u 的数据通路设计，从控制模块、a l u 模块，存储 模块三个方面详细的描述了m c u 的设计过程，并给出了模块仿真结果。 第5 章介绍了嵌入式m c u 的软件仿真与硬件验证的流程、平台建立及结果。 第6 章介绍了在电力电子中应用特别广泛的三相s p w m 控制模块的设计及仿真 结果。该s p w m 模块可以单独应用，也可以作为本设计m c u 的外设模块应用。 最后对本课题的研究工作进行了总结，给出了结论。 6 江苏大擘硕士擘位论文 第二章可编程逻辑器件设计 2 1 可编程逻辑器件概述 可编程逻辑器件( p l d ) 的出现是超大规模集成电路( v l s i ) 技术和计算机辅 助设计( c a d ) 技术发展的结果。p l d 是一种近年来才发展起来的新型集成电路， 它以e e p r o m 、s r a m 或f l a s h 为基础，由用户根据自己的需要对其进行编程，确 定芯片的功能。使用p l d 器件可以大大缩短系统的研发周期，减少成本。目前，p l d 器件的集成度已超过百万门级，采用p l d 器件设计系统，可以将原来电路板级的产 品集成为芯片级产品。从而降低了功耗，提高了可靠性，同时还可以很方便地对设 计进行在线修改 3 1 3 2 1 2 1 1 可编程逻辑器件的发展 早期，可编程逻辑器件只有：可编程只读存贮器( p r o m ) 、紫外线可按除只读存 贮器( e p r o m ) 和电可擦除只读存贮器( e e p r o 聊三种。由于结构的限制，它们只能完 成简单的数字逻辑功能。 其后，出现了一类结构上较复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件( p l d ) ，它能 够完成各种数字逻辑功能。典型的p l d 由一个“与”门阵列和一个“或”门阵列组成， 而任意一个组合逻辑都可以用“与或”表达式来描述，因此，p l d 能以乘积和的形式 完成大量的组合逻辑功能。这一阶段的产品主要有：可编程逻辑阵列( p l a ) 、可编程 阵列逻辑( p a l ) 、通用阵列逻辑( o a l ) 。 可编程逻辑阵列( p l a ) 是一类结构比p l d 更为灵活的可编程逻辑器件，它也由 一个“与”门阵列和一个“或”门阵列构成，“与”门阵列和“或”门阵列都是可编程的。 但器件的资源利用率低，价格较贵，没有得到广泛的利用。其输出方式可以设置为 三态门或o c 门。 可编程阵列逻辑( p a l ) 由一个可编程的“与”门阵列和一个固定的“或”门阵列构 成。p a l 器件是可编程的，它采用反熔丝技术，双极性工艺，器件的工作速度很高。 其设计很灵活，输出方式可以通过触发器有选择地设置为三态门或寄存状态。p l a 是第一个得到普遍应用的可编程逻辑器件。 通用阵列逻辑( g a l ) 是在p a l 的基础上发展起来的一种器件，它采用了 e e p r o m 工艺，实现了电可擦除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元， 7 江苏大学硕士学位论文 因而它的设计具有很强的灵活性。典型器件有g a l l 6 v 8 、g a l 2 2 v 1 0 等。 以上四种p l d 器件都属于简单可编程逻辑器件( s p l d ) ，其结构特点归纳如表2 - l 所示 表2 - 1s p l d 器件的结构特点 t ，出l e2 1t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f s p l d 门阵列 类型输出电路 与阵列或阵列 p r o m固定可编程固定 p l a 可编程可编程固定 p l 可编程固定固定 g l可编程 固定 可编程 s p l d 器件结构简单，设计灵活，对开发软件的要求低。但有很大的局限性：规 模很小，片内资源有限，没有内部互连，只实现简单的逻辑功能。 为了弥补s p l d 器件的缺点，a h e r a 、x i l i n x 、l a t t i c e 等公司分别推出了各自的 高密度可编程逻辑器件h d p l d 。h d p l d 器件兼容了p a l 和g a l 的优点，具有体 系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点，可实现较大规模的电路。 同以往的p a l 、g a l 等相比较，h d p l d 器件规模比较大，它可以替代几十甚至几 千块通用i c 芯片p 3 删 h d p l d 器件根据其实现技术不同，又可分复杂可编程逻辑器件c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 和现场可编程门阵列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 两大类 2 1 2c p l d ，f p g a 简介 c p l d 一般采用基于乘积项( p r o d u c t - t e r m ) 的结构，它采用e e p r o m 或f l a s h 工 艺，系统掉电后c p l d 器件内的配置信息不会丢失，使用时不须外加配置器件。常 用c p l d 有：a t c r a 的m a x 7 0 0 0 、m a x 3 0 0 0 系列( e e p r o m 工艺) ，x i l i n x 的x c 9 5 0 0 系列( f l a s h 工艺) 和l a t t i c e 、c y p r e s s 的大部分产品( e e p r o m 工艺) 。c p l d 的内部结 构一般分为三部袋：宏单元( m a r o c e l i ) 、可编程连线0 i a ) 和i o 控制块宏单元用来 实现基本的逻辑功能。可编程连线负责信号传递，连接所有的宏单元。i o 控制块负 责输入输出的电气特性控制。比如可以设定集电极开路输出、摆率控制、三态输出 等f 删 f p g a 一般采用基于查找表l u t ( l o o k - u p - t a b l e ) 的结构，它采用s r a m 工艺， s 江苏大学项士擘位论文 系统掉电后f p g a 器件内的配置信息会丢失，使用时须外加配置器件。上电时，配 置器件把配置信息加载到f p g a 中，然后f p g a 就可以正常工作。常用f p g a 有： a l t e r a 的a c e x 、a p e x 系列，x i l i n x 的s p a r t a n 、 v i r t e x 系列等。f p g a 的内部结构 一般分为四部分：可编程逻辑块c l b ( c o n f i g a r a b l el o g i cb l o c k ) 、输入输出模块 i o b ( v ob l o c k ) 、可编程互连线p l ( p r o g r a m m a b l ei n t e r c o n n e c t ) 和l u t 。c l b 用来实现 基本的逻辑功能。i o b 提供了器件引脚和内部逻辑列阵之间的连接。p i 则实现c l b 之间、c l b 和i o b 之间的相互连接。l u t 实质就是s r a m ，用于可能的逻辑结果【3 7 】。 不同厂家对c p l d f p g a 的叫法有所不同。对x i l i n x 公司，把基于查找表 ( l o o k - u pt a b l e ) 技术，采用s r a m 工艺，使用时要外挂配置器件( 如e e p r o m ) p l d 叫f p g a ；把基于乘积项( p r o d u c t - t e r m ) 技术，采用f l a s h 工艺，使用时不需 要外挂配置器件的p l d 叫c p l d 3 8 1 。对a l t e r a 公司，把自己的p l d 产品( 如；m a x 系列产品，基于乘积项技术，采用e e p r o m 工艺；f l e x 系列，基于查找表技术， 采用s r a m 工艺) 都叫作c p l d 3 9 1 由于a i t c r a 的f l e x 系列也是基于查找表技术， 采用s r a m 工艺，使用时要外挂配置器件，用法和x i l i n x 的f p g a 一样，所以很多 人把f e l x 系列产品也叫做f p g a 。c p l d 和f p g a 的实现原理虽略有不同，但功能 基本相同，所以有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件p l d 或 c p l d f p g a 。 耳前。有多家公司生产c p l d 腰p g a ，其中最大的二家公司是：a l t e r a 、x i l i n x 。 比较典型的c p l d f p g a 器件是：x i l i n x 公司的f p g a 系列器件和a l t e r a 公司的c p l d 系列器件，它们开发较早，占据了较大的p l d 市场。逶常来说，在欧洲用x i l i n x 公 司器件的人较多，在日本和亚太地区用a l t e r a 公司器件的入较多，在美国则是平 分秋色。全球c p l d f p g a 产品6 0 以上是由a l t e r a 和x i l i n x 提供的。可以讲a l t e r a 和x i l i n x 共同决定了p l d 技术的发展方向。 2 1 4c p l d 与f p g a 的比较 c p l d 与f p g a 在结构上的主要区别如下所述【4 1 旬】： 1 逻辑块的粒度不同。逻辑块指p l d 芯片中按结构划分的功能模块，它有相 对独立的组合逻辑阵列，块间靠互连系统联系。c p l d 中逻辑块粒度较大，通常有几 十个输入端和一、二十个输出端。每块芯片只有几个逻辑块，有些集成度较低的则 干脆不分块。显然，如此粗大的分块结构使用时不够灵活。f p g a 中的逻辑块粒度较 9 扛苏大学磺士学位论支 小，通常有4 8 个输入端，1 2 个输出端。因而每块芯片中有几十到近千个这样的 逻辑块。较小的逻辑块在使用时更为灵活。 2 逻辑块之间的互连结构不同。c p l d 逻辑块之间的互连线是集总式的，其特 点是任意两个逻辑块之间的延时相等。这种结构给设计带来很大方便。f p g a 逻辑块 之间的互连线则是分布式的，其特点是任意两个逻辑块之间的延时不确定，与系统 的布局布线有关。 正因为c p l d 和f p g a 有上述结构上的差别，使得它们的应用范围也有所不同。 逻辑系统通常可分两大类型：一类是控制密集型，另一类是数据密集型。控制密集 型也称逻辑密集型，如高速缓存控制、d r a m 控制和d m a 控制等，它们仅需要很 少的数据处理能力，但逻辑关系一般都复杂；数据密集型需要大量数据处理能力， 其应用多见于通讯领域。为了选择合适的p l d 器件，应从速度与性能、逻辑利用率、 使用方便性、编程技术等方面进行考查： 1 速度与性能：对于数据密集型系统，选用f p g a 更合适。如通讯中对信号进 行处理的二维卷积器，在实现这一算法的逻辑系统中，每个单元所需要的输入端较 少，但需要很多这样的逻辑单元。这些要求与f p g a 的结构相吻合，因为f p g a 的 粒度小，其输入到输出的传输延迟时间很短，因而能获得高的单元速度。 而对于控制密集型系统，选用c p l d 更合适。控制密集型系统通常是输入密集 型、逻辑复杂的系统。如果选用c l b 粒度较小的f p g a ，则c l b 的输入端往往不够 用，需把多个c l b 串行级联使用，同时c l b 之间的连接有可能通过多级通用p i 或 长线，导致速度急剧下降，因而实际的传输延迟时间要大于c p l d 。比如，实现一个 d r a m 控制器，它由四个功能块组成：刷新状态机、刷新地址计数器、刷新定时器 和地址选择开关，需要的输入端有几十个，这种场合下显然用c p l d 更合适。 2 逻辑利用率：逻辑利用率是指器件中资源被利用的程度。c p l d 逻辑寄存器 少，而f p g a 逻辑寄存器多，这正好和控制密集型系统与数据密集型系统相对应。 比如，规模同为6 0 0 0 门的i s p l s l l 0 3 2 有1 9 2 个寄存器，而x c 4 0 0 5 e 有6 1 6 个寄存 器。因此从逻辑利用率角度，对于组合电路较复杂的设计，宜采用颗粒较粗的c p l d ： 对于时序电路中触发器较多的设计，宜采用细颗粒的f p g a 3 使用方便性：从延时的角度上看，c p l d 优于f p g a 。因为c p l d 的延时可 预测，易于实现；而f p g a 的延时不确定，不易实现。从综合的角度上看，也是c p l d 优于f p g a 。对于c p l d ，通常只要输入、输出端口数，内部门和触发器数目不超过 t o 江苏大学硕士学位论文 芯片的资源并有一定的裕量，总是可以实现的。而对于f p g a ，则很难预测，因为完 成设计所需的c l b 逻辑级数是无法事先确定的，只有靠多次试验才能得到满意的结 果。 4 编程技术：由于f p g a 是基于s r a m 工艺的，断电后数据会丢失，因此， 外加存储器芯片存放编程信息。而c p l d 是基于e e p r o m 或f l a s h 工艺的，断电后 数据不会丢失，不必外加存储器件。 2 1 5 可编程逻辑器件的优点 可编程逻辑器件是特殊的a s i c 芯片，它们除了具有a s i c 的特点之外，还具有 以下几个优点【4 3 舢l ： 1 可以实现系统集成。随着超大规模集成电路v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei c ) t 艺的 不断提高，单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，f p g a c p l d 芯片的规模也越 来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也 可以实现系统集成。 2 f p g a c p l d 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，没有流片风险和费用， 设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功 能设计。所以，f p g a c p l d 的资金投入小，节省了许多潜在的花费。 3 f p g a c p l d 可以反复地编程、擦除、使用，还可以在外围电路不动的情况 下用不同程序代码就可实现不同的功能。当电路需要修改时，f p g a c p l d 易于修改 的特性更能显示出其优势性。所以，用f p g a c p l d 制造产品，能以最快的速度占 领市场。 4 f p g a c p l d 软件包中有各种输入工具、仿真工具，版图设计工具和编程器 等，系统设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译，优化、仿真、下载。 电路设计人员使用f p g a c p l d 进行电路设计时，不需要具备专门的i c 深层次的知 识，f p g a c p l d 软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快 速将产品推向市场。 总之，c p l d f p g a 具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标 准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，被广泛应用于产品的原型 设计和产品生产中。几乎所有p l d 、g a l 和中小规模通用数字集成电路都可以用 f p g c p l d 器件替代。 江苏大擘硕士学位论文 2 2 硬件描述语言概述 硬件描述语言h d l ( h a r d w a r cd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ，就是可以描述硬件电路的 功能、信号连接关系及定时关系的语言。h d l 语言是硬件设计人员和e d a 工具之间 的桥梁，它主要用于从系统级、算法级、门级到开关级的多种抽象设计层次的数字 系统建模 h d l 是在当今电子技术飞速发展的背景下提出的。目前，电子系统设计的规模 越来越大，复杂度越来越高，集成度达千万门的i c 已经屡见鲜，并有继续增加的趋 势。如复杂的i c 要易于被人理解，就很有必要用一种高级语言来描述其功能，隐藏 其具体实现细节。于是就出现i c 设计中的高级语言，即h d l ，具体的实现则交由逻 辑综合工具完成。 另外，电子系统设计领域的竞争越来越激烈，各电子厂商都面临巨大的压力： 提高逻辑设计的效率，降低设计成本，缩短设计周期。h d l 的出现很好的解决了这 几方面的问题。h d l 设计正逐渐取代传统的原理图设计方法。 h d l 最早是由i v c r s o n 公司于1 9 6 2 年提出的，迄今为止已经出现了多种h d l ， 如s i l v a r - l i s o 公司的h h d l 、z y c a d 公司的i s p 、m e n t o rg r a p h i c s 公司的b l m 、a l t e m 公司的a h d l 等目前应用最广的硬件描述语言是v e r i l o gh d l 和v h d l 【4 5 1 。 2 2 1v e r i i o gh d l 简介7 】 v e r i l o gh d l 是在使用最广泛的c 语言的基础上发展起来的一种硬件描述语言。 1 9 8 3 年，g d a ( g a t e w a yd e s i g n a u t o m a t i o n ) 公司的p h i lm o o r b y 首创v e r i l o gh d l ，最 初只设计了一个仿真与验证工具，之后又陆续开发了相关的故障模拟与时序分析工 具。1 9 8 5 年，m o o r b y 推出它的第三个商用仿真器v e r i l o g x l ，获得了巨大的成功， 从而使得